运动仿真技术与参数化设计应用于科普展品的研发 ———以多足机器人为例
李 岩 柏祖军 刘 方 刘永斌 舒玉恒
摘 要 本文以多足机器人展品设计为例，应用参数化设计思想，实现模型和设计输出的全数字化和参数化，通过变量化参数的赋值，可快速得到不同尺寸和形状的系列化产品，以此来阐述仿真技术与参数化设计在科普展品开发过程中的指导性作用。关键词 科普展品 运动仿真 参数化设计 多足机器人 连杆机构
0 引言
科普展品创新不仅是一个过程，而且是一个系统工程，包括组织管理展品创新的规划、研究、设计、制造、试验、改进和展示的科学方法[1]。 而研究和设计作为科普产品创新的关键环节，更需要专业化、深度化。科普产品的研发需要以理论分析为基础，结合现代计算机辅助手段， 实现设计全过程的数字化和直观化，充分优化展品展示效果，提高产品研发效率。
运动仿真分析可以实现机械工程中非常复杂且精确的机构运动分析， 在实际制造前利用零件的三维数字模型进行机构运动仿真， 已成为现代 CAD工程中的一个重要方向及课题[2]。 参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重建模型， 井在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型， 生成系列化产品，大大提高了生产效率[3]。
本文基于上述的运动仿真分析手段和参数化设计思想， 设计了一种基于多级连杆机构的多足机器人互动展品， 利用 Adams 和 Matlab 软件进行了连杆参数优化设计，大大提高了机器人的运动平稳性。
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观众一方面可以通过连杆机构传动了解机器人运动的原理， 也可以坐在或站在多足机器人上体验其载人移动的趣味性。
1 连杆单元设计和仿真
1.1 机构组成
如图 1所示为多足机器人的多级连杆机构示意图，其主体由两个曲柄摇杆机构组成：以杆BC 为机
架，AB为曲柄CD为摇杆AD为连杆构成曲柄摇杆1；以杆 BC 为机架，AB为曲柄 CG 为摇杆 AG 为连杆构成曲柄摇杆2。杆 CD、CE、DE 构成上三角；杆GF、GH、FH 构成下三角。上三角和下三角通过连杆CG、EF 连接。 在工作时曲柄AB 绕着B点转动，通过各连杆的传动带动下三角作周期性运动。
1.2 运动仿真与参数优化
为了保证运动平稳性和降低功耗， 要求下三角与地面接触时的运动轨迹尽量是直线， 另一方面为了提高机器人的越障能力，要求下三角做“抬腿”动作时足尖离地面要尽量高。 下三角足尖的运动轨迹和各个杆长有关，为了满足要求，需要对各杆长进行分析。将杆组建立D-H 方程[4]，分析其足端的运动轨迹与各杆长的关系， 选取一组最优足端轨迹的杆组参数，如图 3 所示。 将其用 Solidworks 建立模型后导入 Adams 中分析其运动特性。模型建立完成后通过 Adams 仿真标记出足端的运动轨迹， 如图 2 所示，分析足端运动特点，验证其是否满足设计要求。
如图 4 所示， 在图中 t=12 s 到 t=16 s 的时候表示在一次循环中足端和底面接触时的位移图像，以看出在足端与底面接触的时候足端的高度基本保持不变，在一次循环中“抬腿”的高度可以达到61 mm，具有一定的越障能力， 可以较好的适应复杂的路面情况。将该时间段的数据点导入到 Matlab 中定量分析其纵坐标的变化，如图5所示。从拟合结果看其足端高度y与时间 t 的关系为：
y=0.168 9t-207.61
残差模为 1.059 3。
足端高度随时间的变化曲线
在一次循环中足端与地面接触的4 s 内足端的高度仅变化 0.675 6 mm，可以保证机器人足端与地面接触时高度方向保持平稳， 具有良好的运动稳定性，同时功耗得到降低。
上述分析了足端与地面接触时高度上的变化，还应考虑与地面接触时水平位移速度随时间的变化，如图 6所示为足端水平方向位移曲线，将12 到16 s 内的数据点导入到 Matlab 中分析其线性，如图
7 所示。 从拟合结果可以看出水平位移X和时间的关系为：
X=-28.721t+462.68
拟合的残差模为 4.114 9。
结果说明足端与地面接触的时候，足端近似是匀速运动的，在一次的循环中总位移长度为 113 mm。该组杆长条件可以保证足端与地面接触时的匀速运动，满足设计要求。
2
2.1
机器人结构设计
足端水平位移随时间变化曲线单腿结构设计机器人由六个相对独立的支撑腿构成， 每侧的三个支撑腿通过曲轴连接。为了便于叙述，将各个关
节分别命名，如图8 所示。
设计关键在于处理好各连杆相对运动关系，尽量减少腿部侧向宽度。 其中影响单腿宽度的主要因素是曲轴处4个连杆的配合关系。 由于 4个连杆的运动是相对独立的，所以4个连杆必须并列排列。由
踝关节结构设计图
1- 心轴、2- 连杆 AG、3- 套筒、4- 连杆 CG、
5- 下三角板1、6- 下三角板2
(a)仿真建模
Motion simulation and parametric design method for exhibits design: The application example of a multi-legged robot// li yan, bai zujun, liu fang, liu yongbing, shu yuheng
First-author's Address Wenshan road,feixi etdz, hefei, anhui, china. e-mail: liy@hfpanshikj.com
Abstract This article takes the design of multi-legged robot exhibits as an example, applying parametric design ideas to achieve full digitization and parameterization of models and design outputs. through the assignment of variable parameters, you can quickly obtain serialized products of different sizes and shapes. explain the guiding role of simulation technology and parametric design in the development of complex science exhibits.
Keywords exhibits of science and technology museum, parametric design, motion simulation, multi-legged robot, linkage mechanism
2020 年 5 月 15日，由中国科学技术馆主办、合肥市科学技术协会承办、 合肥市科技馆和合肥磐石自动化科技有限公司协办的“新的对决———抗击新冠肺炎疫情网络专题展” 线下启动仪式在合肥市政务文化中心举行。
该展览由中国科学技术馆策划设计， 合肥磐石自动化科技有限公司提供技术支持和展品制作。 整个展览设有五个主题展区，从疫情现象到科学本质，再到精神内涵，采用图文板、多媒体等形式，讲述了有关新冠肺炎疫情的点点滴滴。
（1）“疫情笼罩·非常春节”：说明病毒的起源、新冠肺炎的传播与危害，引导观众关注疫情进展。
（2）“科学防治·理性应对”：探索新冠肺炎的起因，并展示对其传播方式、预防方法的最新研究，让
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“新的对决———抗击新冠肺炎疫情网络专题展”线下展览启动仪式举行
观众对疫情有一个全方位的了解。
（3）“全力抗疫·最美逆行”：体现抗疫一线“逆行者”们的风采，如坚持奋战的医护人员、勇于担当的国士与英雄。
（4）“抗疫有我·与子同袍”：介绍社会各界积极抗疫的各项举措，反映抗疫过程中平凡人的力量。
（5）“人民至上·生命至上”：突出我国政府在抗击新冠疫情时表现出的“大国力量”与“中国速度”，以及世界各国的鼎力援助。
此次举办线下启动仪式， 旨在及时传递科学的声音和权威的信息，以“万众一心，共克时艰”为主题，以举国上下勠力同心抗“疫”为主线，让公众在这场不得不面对的新对决中， 全面而真实地看到在党中央的领导、部署下如何打赢疫情防控阻击战。
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